无墨印刷技术在绿色包装中的应用研究

瞿拥军

（深圳市嘉年印务有限公司，广东 深圳 518109）

产品的流通离不开包装，包装具有保护产品、便于运输与存贮、利于售卖等功能，直接影响着产品的市场竞争力和销售。近些年来，消费主义盛行，包装的设计成为了产品附加价值的一部分，优秀的产品包装可以推动产品的销售，几乎不存在无包装的产品与无印刷的包装。包装直接接触产品，而包装上的图案和文字必须通过印刷等技术来表现，以吸引顾客的眼球。为了保护产品知识产权和防止假冒伪劣产品的流通，国家制定了一系列针对商标和标识的法规与标准，并要求企业必须通过印刷等技术，为其产品印上相应的标识和商标。此外，随着广告宣传的不断增加，印刷包装行业也扮演着越来越重要的角色。在当前政策下，国家大力实行绿色包装战略，以减少污染并推动可持续发展，包装行业“十四五”规划、中国包装联合会《中国包装工业发展规划（2021—2025年）》都明确了绿色低碳循环转型在印刷包装产业深度转型和可持续发展中的引领性作用，加快构建覆盖包装全生命周期的绿色发展体系，而这需要印刷包装企业大力开发新型绿色包装材料，使用环保型的印刷材料和工艺技术，才能构建覆盖包装全生命周期的绿色发展体系[1-2]。

1 无墨印刷技术介绍

1.1 无墨印刷技术

无墨印刷(Inkless Printing)是直接采取加热的、有图文的印版或模具，通过压力在纸浆、纸张、纸板、塑料基材等基材上进行空压印，使承印基材表面发生定向形变，待成印基材冷却后形成定型图文，或使用其他替代物取代传统印刷过程中的油墨或墨粉，通过特殊材料和工艺技术，结合传统印刷技术与光、电、热技术，利用数字化技术和喷墨等技术手段，将图文直接印在承印载体上[3]。

无墨印刷技术起源于20世纪60年代，随着计算机技术的飞速发展以及喷墨头和喷墨墨水等关键技术的突破，无墨印刷技术得到了快速的发展和普及。常见的实现无墨印刷的方式包括使用喷墨技术、无墨喷水技术[4]、电子阵列印刷技术、热敏印刷、热烤生态印刷[5]、激光蚀刻[6]、电子纸技术、感光印刷[7]、纳米印刷、3D印刷等。这些方法使用的替代物可能包括染料、彩色素材、热敏材料、印刷粉末等。无墨印刷技术的发展给印刷行业带来了巨大的变革，它能够解决传统印刷技术不易实现的颜色渐变和图像细节的表现，实现短版、快速变版、变化多样的印刷需求，以及满足个性化定制等多元化的市场需求，具有非常广阔的应用前景。

1.2 无墨印刷的优、劣势

相比于传统印刷技术，使用无墨印刷技术能够减少VOCs、有害气体和废弃物的排放；能够在生产和耗材方面节省能源和材料，降低运营成本；有效避免墨水飞溅、挥发、流量变化等，在保证印刷品质的同时提高生产效率。传统印刷技术与无墨印刷技术的主要对比情况见表1。然而，现有的无墨印刷技术还面临着一些挑战和限制，如无墨印刷的印刷速度和分辨率仍需提高、印刷媒介的类型和可靠性仍需进一步扩展与验证等。

表1 无墨印刷工艺与传统印刷工艺对比

1.3 无墨印刷研究现状

当下，无墨印刷技术以其低污染、长久保持等特点成为国内外印刷领域中的研究热点之一。国内外从三大方向分别探索无墨印刷技术：一是研发新型印刷材料。如红外光敏材料、热敏材料、可重复使用擦写纸[8]等，以提高无墨印刷的印刷质量和稳定性。二是研发新型印刷技术。如使用光电显示技术、纳米印刷技术[9-10]、传热印刷技术[11]、电子纸技术等，以提高无墨印刷的印刷速度和精度。三是优化现有印刷技术。如狭缝印刷技术、脉冲电沉积印刷技术等，以改进无墨印刷的制造工艺和成本效益。

随着环境保护意识的提升和政策的推进，国内印刷包装行业正逐渐朝着绿色、智能化、数字化、网络化、高品质的方向发展。由于无墨印刷技术具低耗材、环保等特点，其发展前景十分广阔。

2 无墨印刷在包装上的实现方式

实现无墨印刷的方式方法多种多样，文章选取了现有市场上在包装上运用得较为成熟的几种方式进行讨论分析，期望为从业者带来新思路，从而对无墨印刷进行优化创新。

2.1 素压纹实现无墨印刷

素压纹是一种没有印刷颜色的印刷工艺，其原理是利用凸版或模具对材料施加力量，使其在局部区域上发生塑性变形。通过这种变形可以在材料表面形成凸或凹的纹理或花纹，从而改变材料的外观和手感，其中，从材料背面施加压力让材料正面膨起的工艺为凸压纹，所形成的无墨图文具体效果见图1；而从材料正面施加压力让材料正面凹下的工艺则为凹压纹，所形成的无墨图文具体效果见图2。具体工艺过程为：先将图文置于一对阴阳印模上，阴模上图文凹下，阳模上图文凸起，印刷时纸张放在阴阳模之间，在阴阳模的压力下形成浮凸图案，原理类似于钢印。通过阴阳互补的一对印模，在压力作用下，使得承印材料发生较大形变而形成浮雕凸起图文信息。

图1 凸压纹形成无墨图文。

图2 凹压纹形成无墨图文。

素压纹不需要复杂的设备，简单易行，适用于多种材料和形状，现有金属素压纹、塑料素压纹、纸张素压纹。不仅如此，与其他表面处理方法相比，素压纹工艺成本较低，还能根据需求，设计不同的凸版或模具，实现多样的纹理效果，而且经过素压纹处理后的材料通常具有较高的耐磨性和耐腐蚀性。素压纹具有简单易行、节省成本和可定制化等特点，是实现无墨印刷的一种非常好的工艺。

2.2 雕刻凹印实现无墨印刷

雕刻凹印是一种将图案或文字雕刻在板材表面形成凹陷的加工方法，其原理基于物理力学，通过在板材表面施加力量，使得刀具刻画掉板材表面的材料，从而形成凹陷的图案或文字。现有的雕刻凹印可以实现非常高的精度，适用于需要精细图案或文字的应用。

雕刻凹版印刷在印刷过程中需要很大压力才能将印版上的油墨转移到承印材料上，由于压力的作用，使得印刷图文区的承印材料发生较大变形，在印刷图文正面形成一定浮雕高度，而在印刷图文的背面形成一定的凹陷。利用这一特性，在印刷时采取不上油墨进行空压，利用压力，使承印基材发生形变而形成浮雕图文，使雕刻凹版上的图文信息“转印”到承印基材上，所形成的无墨图文具体效果见图3。无墨雕刻凹印的印刷压力较正常的雕刻凹版印刷压力要大，才能形成更加明显的浮雕图文。值得注意的是，在使用塑料基材进行无墨雕刻凹印时，由于塑料基材的特性，需要对基材进行一定的加热处理，使得塑料基材更加容易发生形变并能很好地保持这种形变特性。

图3 雕刻凹版空压形成无墨图文。

2.3 纸浆模塑工艺实现无墨印刷

纸浆模塑(植物纤维模塑)工艺是利用纤维素材料的可塑性，在湿态下经过加热和压力处理，使纸浆颗粒间的纤维相互结合，形成所需形状的产品。纸浆模塑使用原浆纸板、废纸、纸箱等作为原料，经过碎浆、磨浆等工序，使纸变成纤维，悬浮于水中形成纸浆液，再利用真空将纸浆液吸附在特制的模具形成湿坯，最后通过热压干燥、切边等工序形成成品。

纸浆模塑使用可再生的纸浆材料，与传统的塑料制造过程相比，对环境的影响较小，纸浆材料可以通过调整配方和工艺参数来实现不同形状和尺寸的产品，纸浆模塑工艺可塑性强、韧性高，是一种绿色环保的立体造纸技术。纸浆模塑工艺实现的无墨印刷，即在制作模具时，将需要呈现的图文事先刻画在模具上，在热压干燥成型阶段使图文在纸浆模塑产品上固定下来，形成凸纹或凹纹，所形成的无墨图文具体效果见图4。

图4 纸浆模塑工艺形成无墨图文。

2.4 激光技术实现无墨印刷

原先的无墨激光蚀刻是选择适当功率的激光头，使用激光束去灼烧获得的点阵图形，图5所示即为其中一种在线激光蚀刻设备。利用光学系统将激光束汇聚成合适大小的光电，并消除光束传播过程中的漫射，此时汇聚点可瞬间产生几万摄氏度甚至更高的高温，将点阵图形中需要打印像素点灼烧至色变(焦糊色)。激光灼烧出的文件不能篡改，且保存时间非常久，但是只能单色打印，所形成的无墨图文具体效果见图6。

图5 在线激光蚀刻设备。

图6 激光蚀刻形成无墨图文。

激光蚀刻的工作原理是：利用高能量激光束聚焦后照射到被加工物表面，局部的材料被氧化或蒸发，使其表面发生化学或物理变化，从而形成所需的图案或文字。这种蚀刻方式几乎可以蚀刻所有的材料，无需复杂的工艺和大量设备。在激光蚀刻的过程中，只有激光束和表面材料之间的接触，因此不会产生污染和废弃物。同时，激光蚀刻可以实现高精度、高清晰度和高质量的印刷效果，因此被广泛应用于各种印刷场合，如制造业、艺术品制作、礼品定制等。

激光着色技术突破了激光蚀刻技术只能单色打印的不足，实现了多色甚至RGB色彩还原。激光着色技术通常包含3种基于不同机制的方法：来自随机自组织金属纳米颗粒的等离子体色，来自激光诱导周期性表面结构(即纳米光栅)的衍射色以及薄膜(包括透明氧化层的干扰颜色和F-P谐振腔)的干涉色[12]。图7所示即为俄罗斯科学家开发的使用单一商用激光产生多种颜色效果的彩色图像。

图7 单激光技术在金属上打印的彩色图像。

等离子体色是通过使用激光在金属表面形成等离子体，从而在基材上产生色彩。这种方法不需要任何油墨或色素，只需在金属表面上使用激光即可实现打印。例如激光的平行聚光灼烧原理就属于等离子体色。激光在聚光时使材料表面温度升高，产生等离子体，从而改变材料的颜色。在工业上，无墨印刷的具体实现方式是将激光束定位在印刷材料上，并在需要的区域产生光化学反应，从而形成所需图案或文字。通常与激光一起使用的是控制系统、电脑和相应的软件，以使激光束能够精准地定位和刻印。这种无墨印刷方式非常灵活，能够适用于许多不同类型的材料，如金属、塑料等。

2.5 纳米技术实现无墨印刷

纳米技术指的是制造和控制物质在纳米尺度(纳米级)范围内的技术。纳米级别指的是物质的尺寸小于100 nm的范围，这个尺寸级别处于分子和微观世界的交界处。纳米印刷是一种高精度的印刷技术，利用纳米级的精度进行印刷，可以在极小的空间内进行图案的精细打印，在纳米印刷中，使用的印刷材料通常是具有特殊性质的纳米颗粒或者是采用纳米结构构造的材料。纳米印刷实现无墨印刷的原理是通过控制纳米颗粒的吸附性质和聚集能力来形成所需要的图案或者文字，所形成的无墨图文具体效果见图8。纳米颗粒的表面通常带有一定的电荷，可以通过改变表面电荷的方式控制颗粒的聚集和分散。根据布朗运动的原理，纳米颗粒会在表面贴附形成有序的排列，从而形成所需要的图案或者文字。

图8 微纳米结构实现的RGB彩色图像。

衍射色是利用激光诱导表面产生周期性结构，从而产生干涉和衍射的效应，形成色泽。这种方法通常使用激光刻蚀技术在基材表面形成微米或纳米级别的光栅结构。然后，向表面照射不同波长的光束，即可实现不同的颜色。这种方法不需要油墨或色素，也没有化学反应，具有高清晰度、色彩丰富、防伪性强等优势。实现激光衍射色的具体操作方式是先将设计好的图案或文字通过激光照射在光敏材料上，再进行脱膜、腐蚀等工艺加工，最终形成所需的图案或文字即可。例如，商标/安全证件印刷——利用激光技术在商标或安全证件(如银行卡、身份证)上进行无墨印刷，可以实现色彩丰富、清晰度高、防伪性强、防止伪造和篡改等特点。

干涉色主要利用基材上的干涉效应形成颜色。可以通过刻蚀亚波长光栅或在表面上涂覆特殊的薄膜来实现交错光程干涉。这种方法既不需要油墨或色素，也没有化学反应，具有环保特性。

文章讨论了6种实现无墨印刷的工艺技术，有使用特定基底材料的，如纸浆模塑要使用纤维素材料，纳米技术需使用纳米材料；有使用物理方式的，如素压纹基于压力对材料施加形变，雕刻凹印也是基于压力使承印基材发生形变而形成浮雕图文；激光技术则是使用了特定的能量源等。6种无墨印刷技术的优缺点对比情况见表2。无墨印刷是一个广泛的概念，并且有多种具体的实现方式。这些工艺技术在无墨印刷上的异同主要体现在使用的基材、能量源以及实现印刷效果的物理或化学方式上。每种技术都有其适用的特定场景和优势，选择合适的工艺取决于所需的印刷效果、材料特性以及应用环境等因素。

表2 6种无墨印刷技术优缺点对比

3 结语

结合当今节约资源、保护环境、实现可持续发展的时代主题，无墨印刷技术的优化与创新已经成为印刷领域的发展趋势。在市场上，无墨印刷技术不仅能够减少环境污染，节约原材料，提高印刷效率，还能够为企业节约成本。然而，无墨印刷技术虽已取得了很大的发展，但是还有许多的问题亟需解决，如要提高无墨印刷技术的色彩还原与清晰度、应用更广泛的材料以及采用更低成本的印刷方式等。这些问题只有在印刷领域专家的共同努力下才能得到解决。